JP3397141B2 - 白色led - Google Patents

白色led

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、単一装置で白色光
を発する事のできる新規な半導体発光素子に関する。白
色光への需要は多い。照明用光源として白色光が最も適
する。液晶のバックライトは白色光が使われる。本発明
は、照明用、表示用、液晶バックライトなどに利用でき
る半導体白色LEDに関する。
【0002】
【従来の技術】発光ダイオード(LED)は赤色、黄
色、緑色、青色などの単色のものが既に製造販売されて
いる。赤色の高輝度発光ダイオード(LED)としては
数Cd(カンデラ)以上のものが既に市販されている。
AlGaAsや、GaAsPなどを発光層とした赤色L
EDである。低価格のLEDであり広い用途に利用され
ている。GaPを発光層とする緑・黄緑色のLEDも製
造販売されている。青色LEDとしては、SiCを活性
層とするものがある。青・緑はGaInNを活性層とす
るLEDがある。橙色・黄色はAlGaInPを発光層
とする素子がある。いずれも安価で実用的なLEDであ
る。このうちGaP、SiCは間接遷移型の半導体であ
るから効率が悪く、カンデラ級の出力には至っていな
い。
【0003】これらLEDはいずれも発光層材料のバン
ド間の電子遷移を利用しているから単色光しか出ない。
だからLEDといえば単色であった。これは当然のこと
である。単色のLEDには表示用LEDなど沢山の用途
がある。しかし単色LEDだけでは全ての光源に取って
代わることはできない。照明などの用途、特別の表示な
どの用途、液晶バックライトなどの用途には単色光源で
は役に立たない。照明に単色光を使うと物体がみなその
色に見える。液晶バックライトに単色光を使うとその色
の濃淡画像しか見えない。
【0004】どうしても全ての色を含む白色の光源が必
要である。ところが白色の出る半導体発光素子はない。
照明用光源としてはいまなお白熱電球、蛍光灯などが広
く使われている。白熱電球は効率が悪い。また寿命が短
い。蛍光灯は効率はともかく、やはり寿命が短い。安定
器のような重量物が必要である。またサイズも大きすぎ
る。このような難点がある。
【0005】寸法が小さいこと、周辺回路が簡単である
こと、寿命が長いこと、発光効率が良いこと、安価であ
ることなどが白色光源に対して望まれるところである。
これらの要件を満足するにはやはり半導体発光素子しか
ないように思われる。しかし先述のように半導体発光素
子はバンドギャップ間の電子遷移を用いるからどうして
も単色光しかでない。半導体素子は単独では白色光を発
生することができない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】三原色である青色、緑
色、赤色のLEDを使えば白色LEDを作ることができ
よう。GaInNを用いた青色LEDも市販されるよう
になり三原色のLEDはそろっている。しかし3つもの
発光素子を組合わせるのでは高コストになってしまう。
製品コストだけでなく電力も3倍必要であり効率がよい
とは言えない。3原色の間でのバランスを調整する必要
もある。回路も複雑にならざるを得ない。サイズの点で
も不利である。このように複数のLEDを組み合わせて
白色光を作るのでは余り利益がない。やはり単一のLE
Dで白色を出したいものである。
【0007】サファイヤを基板としGaInNを活性層
とするLEDをGaInN系LEDまたは簡単にGaN
系LEDと言う。GaInN系のLEDとYAG系蛍光
体を組み合わせた白色LEDの試みが提案されている。
例えば次の文献に紹介されている白色半導体発光素子が
ある。「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュア
ル編集幹事会編、オプトロニクス社刊、p457、19
97年6月
【0008】この素子はGaInNを活性層とするGa
N系LEDチップを黄色の発光をするYAG蛍光材に埋
め込んだ構造をしている。図1にこれをしめす。樹脂の
透明モールド1の中に、第1リード2、第2リード3が
固定されている。第1リード2は上部がΓ型になってお
り窪み4が形成される。窪み4にGaInN活性層をも
つGaN系LEDチップ5が固定される。LED5をす
っぽりと覆うように黄色のYAG蛍光体6が窪み4に充
填されている。GaN系LEDの上面にはアノード電極
とカソード電極があり、これらがワイヤ7、8によって
リード2、3に接続される。
【0009】通常の発光素子や受光素子は導電性基板を
使うのでチップ底面が電極になりリードに直付けする。
だからワイヤはもう一方の上面電極とリードを結ぶ1本
で済む。しかしGaN系の青色LEDはサファイヤ基板
の上にGaNや、GaInN層を積層する。サファイヤ
は絶縁体なので底面をカソードとすることができない。
そこでチップの上面にn電極(カソード)とp電極(ア
ノード)を並べて作る。だからワイヤは2本必要にな
る。アノードからカソードに電流を流すとGaN系LE
Dが青色を出す。青色の一部はそのままYAG蛍光体を
透過して外部に出射される。残りは蛍光体6に吸収され
より波長の長い黄色を出す。青色と黄色の光が重なって
出る。合成された光は白色である。つまりこれは、Ga
N系LEDの青色と、これによって励起された蛍光とを
重ね合わせて白色を出しているのである。
【0010】LEDの発光は電子のバンド間遷移による
積極的な発光である。蛍光体はその光を吸収し、内部の
電子が基底バンドから上のバンドへ励起されその電子が
発光中心と呼ばれる準位を介して基底バンドに落ちると
きに光を発する。当然この励起発光ではLEDの光より
エネルギーが低い光が出る。適当な蛍光体でLEDを囲
むと、LEDの固有の光とそれより長い波長の蛍光が出
るようになる。YAG蛍光体は丁度黄色の光を出すか
ら、LEDの青色と合成され白色になるという。可視光
の中で青は波長が短くエネルギーが高い。青色発光素子
が存在するからこのような事が可能になる。
【0011】図2に、GaInN/YAG発光素子の発
光スペクトルを示す。横軸は波長、縦軸は光強度(任意
目盛り)である。460nmの鋭いピークがGaInN
系LEDの光によるものである。550nmあたりの幅
広い山はYAG蛍光体による蛍光である。肉眼は色を分
離して観察できないから白色発光のように見える。
【0012】しかしGaInN/YAG発光素子にはい
くつかの難点がある。GaInN系LEDとは全く異質
の物質であるYAG蛍光体を余分に必要とする。これが
第1の難点である。透明度の悪いYAG蛍光体をチップ
の上に充たすからLEDからの光の多くが吸収される。
これに使われる青色GaN系LEDだけだと、輝度1C
d以上、外部量子効率が5%以上というような優れた特
性である。ところがGaInN/YAGは輝度が0.5
Cd、外部量子効率が3.5%程度しかない。輝度が落
ちるのはYAG蛍光体が光を吸収するからである。また
YAG蛍光体の光変換効率が10%程度で低い。ために
黄色が優勢な暖色系の白色にするためには蛍光材層をよ
り厚くしなければならない。するとさらに吸収が増えて
輝度、効率ともに下がる。これが第2の難点である。第
3の難点は、複雑な製造工程を要するということであ
る。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、蛍光中心を含
むGaN基板とGaInN系の青色発光素子とを組み合
わせただけの簡単な構造の白色LEDを提案する。蛍光
中心を有するn型GaN基板の上にp型GaInN薄膜
を成長させると400nm〜500nmで発光する青色
LEDになる。本発明はこの構造を巧みに利用して白色
のLEDを作製する。GaN基板とこれに格子整合する
GaInN系LEDを組み合わせただけのもので極めて
単純な構造である。蛍光体は不要で、GaN基板が蛍光
体を兼ねる。GaInNはGaNの上にエピタキシャル
成長させることができ同系統の素材を発光体と蛍光体と
している。本来青色発光ダイオードであるものを少しの
工夫によって白色LEDにしたものである。GaInN
系青色発光素子には必ず半導体結晶基板が必要である。
基板に蛍光中心をドープして蛍光を起こさせるようにし
ただけである。もともと必要な基板を蛍光体の代わりに
利用する。甚だ巧みな着想である。
【0014】大型で欠陥の少ないGaN基板は従来作製
できないものとされていた。GaN自体は高温高圧でも
容易に融液にならずチョコラルスキー法、ブリッジマン
法などが使えない。それで従来はGaInNLEDはサ
ファイヤ基板に形成された。GaN基板が存在しないと
本発明は実施できない。近年、融液成長法や気相成長法
によってGaN基板を作製できるようになってきた。こ
れが本発明を可能にした。融液成長法は、Ga融液にG
aNを溶かし圧力と熱を掛けてGa−GaNの融液とし
GaNの単結晶を成長させる方法である。小型の結晶を
作ることができる。
【0015】気相成長法は、(111)GaAs基板の
上にドット状の孔や直線状の孔を多数有するマスクを設
け、マスクを通してGaNを低温で気相成長させてバッ
ファ層を作り、さらにその上に高温でエピタキシャル層
を厚く成長させ、GaAs基板を除去してGaNの大型
単結晶基板を作るものである。つまり薄膜の成長法を使
って基板を成長させたのである。原料ガスの与え方によ
ってHVPE(ハライド気相成長法)法、MOC(有機
金属塩化物気相成長法)法、MOCVD(有機金属CV
D法)法などがある。HVPEホットウオール型の炉
に、Ga金属融液を入れておき水素、HClガスを吹き
付けGaClを作り基板近くでアンモニアと反応させG
aNを合成する。MOCは、TMGなどの有機金属を、
+HClガスとホットウオール型炉で反応させGa
Clを合成し、これとアンモニアNHを反応させてG
aNを作る。MOCVDはコールドウオール反応炉にお
いて、TMGなど有機金属をHによって輸送し、アン
モニアと反応させGaNを作る。これらのGaN基板の
製造方法はこれらは本出願人の先願である特願平10−
171276号に説明している。大型のGaN基板を製
造できるようになったのは極極最近のことである。本発
明はそのようなGaN基板を出発原料として白色LED
を作製する。
【0016】GaN基板を気相成長法や融液成長法によ
って成長させるとき、酸素や、炭素等の不純物(ドーパ
ント)をドープしたり、結晶欠陥(窒素空孔)を導入す
ることができる。酸素、炭素などの不純物、或いは窒素
空孔などの結晶欠陥は蛍光を発生する中心となる。48
0nmより短い波長の光を当てると、520nm〜65
0nmの広い範囲の蛍光を発生する。この発光中心のこ
とを蛍光発光中心或いは単に蛍光中心と呼ぶことができ
る。蛍光発光の中心波長、発光スペクトルの半値幅は、
ドーパント(酸素、炭素)の種類、ドーピング量、或い
は結晶欠陥(窒素空孔)の量によって調整することがで
きる。蛍光が黄色から赤に(520nm〜650nm)
広く分布するからこれとGaInNLEDの青色を加え
たものが出る。肉眼ではこれを合成するから白色光に見
える。白色光=GaInNの青色+GaNの蛍光という
ように二つの光から白色光が合成される。
【0017】つまり本発明の素子は二つの部分からな
り、 (1)GaInN系LED…バンド間遷移による青色発
光(400〜500nm) (2)GaN基板…黄色〜赤色の蛍光(蛍光:520〜
650nm) を組み合わせたものである。GaN基板はn型でもp型
でも良い。いずれにおいてもエピタキシャル成長層の中
にpn接合を作る。エピタキシャル成長層が発光構造と
なる。基板が蛍光体になる。
【0018】この素子の優れた点はその単純さにある。
およそ発光素子は活性層をなんらかの基板の上に形成す
るものであって、基板は必ず存在する。通常の素子では
基板は単に活性層を保持し、電流を流すだけのものであ
って消極的なものである。しかし本発明では基板自体を
蛍光の発光層として巧妙に利用する。であるから本発明
の白色LEDは、GaInN青色LEDにおいてGaN
基板に蛍光発光中心を生ぜしめる不純物(ドーパント)
や格子欠陥を添加しただけであり工程が一つ増えるだけ
である。別異の材料を付加するのではない。
【0019】白色といっても様々のものがある。青色が
優勢であると寒色の白になるし、赤色が優勢であると暖
色に傾く。GaN基板が厚いとGaInNLEDの青色
が吸収されて減少し蛍光発光の黄色が勝ってくる。Ga
N基板が薄いとGaInNLEDの青が優越し、蛍光発
光が弱くなる。GaN基板の厚みを変化させることによ
って、蛍光発光の強度を調整することができる。つまり
基板厚みによりLEDからの青色発光に対し蛍光発光の
比率を変える事ができる。しかし基板厚みには他の条件
から制限が課される。50μm以下とすると後工程にお
いて破損の割合が増える。歩留まりも下がりコスト高に
なる。反対に基板厚みを2mm以上にすると、LEDの
サイズが大きくなり過ぎる。また黄色光の割合が過度に
増え白色でなくなる。だから基板厚みは50μm〜2m
mの程度である。
【0020】先述のようにドーパント種類、濃度、欠陥
密度を調整して蛍光発光の中心波長を変えることができ
る。基板厚みで蛍光の割合を変えることができる。だか
ら、不純物種類、濃度、欠陥密度、基板厚みなどのパラ
メータを自在に調整することによって、暖色系から寒色
系の白色まで任意の白色を得ることができる。
【0021】幾何学的な配置についてはいくつかの選択
枝がある。基板を下に薄膜を上にすると言うような従来
のLEDと同じ配置(正立)も可能である。反対に薄膜
を下に基板を上にする倒立(エピサイドダウン)の配置
も可能である。また青色だけが外部に放出されるのを防
ぐような構造をとることも可能である。
【0022】LEDの電極は、エピタキシャル側と、基
板裏面側にそれぞれ電極形成する(n型基板の場合は裏
面にn電極、エピタキシャル側にp電極;p型基板の場
合は裏面p電極、エピタキシャル側にn電極)。ステム
に取り付ける面の電極は、全面を覆う電極であっても良
いが、光の放射側は開口部の広い電極としなければなら
ない。
【0023】エピサイドダウンで実装する場合、次のよ
うな構造とすることが望ましい。エピタキシャル側の電
極は発光層からの青色、青緑色をチップ外に出さないた
めになるべく大きくする必要がある。エピタキシャル側
の電極はチップ全面、或いはチップ全面の80%以上を
覆うような電極とするのが良い。それに反して、基板側
が光の放出側になるから、電極面積を狭くする必要があ
る。リング状、ドット状何れでも良いが、標準的なチッ
プサイズ0.25mm×0.25mmのチップなら、面
積比で40%以下とする。より望ましくは16%以下と
するのがよい。
【0024】n型GaN基板を使うときは、エピサイド
ダウンとすると、低比抵抗にするのが困難なp型エピタ
キシャル層には広い面積のp電極を形成でき接触抵抗を
減らすことができる。n型GaNは低抵抗にしやすいか
らリング状の狭い電極であってもよい。このように電気
的にも好ましい構造となるのである。上記のGaN基板
は、単結晶であるため、YAG蛍光体よりも透明度が高
い。青色、青緑色光を黄色光に変換する効率もYAG蛍
光体より15%も高い。透明度、変換効率ともに高いの
で、本発明のGaInN/GaNLEDは従来例にかか
るGaInN/YAGよりも高輝度の白色LEDとな
る。またGaN基板の厚みを変化させるだけで簡単に、
暖色系から寒色系の白色光を得ることができる。透明度
が高いから厚みを増しても輝度が減少しない。
【0025】また蛍光材を埋め込む必要がない。簡単な
工程によって、高輝度白色LEDを作製することができ
る。GaN基板は導電性とする事ができる。従来のサフ
ァイヤ基板(絶縁体)上の素子に比べワイヤボンデイン
グが一つ少ないから作製工程が簡略化される。低コスト
の白色LEDを作る事ができる。
【0026】
【発明の実施の形態】(1)正立のGaN白色LED 図3に本発明にかかる白色LEDの構造の一例を示す。
図3(a)は縦断面図、(b)はチップだけの断面図を
示す。透明モールド11の内部に、リード12、13と
LEDチップ15が埋め込まれている。そのような構造
は従来のLEDに合わせてある。透明モールドは最も安
価なLEDのパッケージである。もちろん金属缶タイプ
のパッケージに収容することもできる。パッケージやリ
ードは目的によって自在に選択できる。Γ型リード12
の頂部14には窪みがなく、平坦面になっている。平坦
面14の上に、GaInNLED15が正立固定され
る。このLED15は蛍光発光中心となる不純物(酸
素、炭素)、結晶欠陥(窒素空孔)を有するGaN基板
16とその上にエピタキシャル成長した発光構造(薄
膜)17よりなる。
【0027】発光構造17はGaInNの薄膜でありp
n接合を含む。エピタキシャル発光構造17はGaNを
主体とする薄膜の積層体でありpn接合をもつ頂部には
リング状あるいは小面積のp電極がある。光を妨げない
ようにこれは全面積の40%以下とする。p電極がワイ
ヤ18によってリード13に接続される。基板側のn電
極が直接にリード12に接続される。ワイヤは1本で済
む。リード12がカソードに、リード13がアノードに
なる。pn接合に電流を流すことによってバンドギャッ
プ遷移がおこり400nm〜500nmの光Eを出す。
一部は下側に進み基板に入る。ここでGaN基板には酸
素、炭素、或いは窒素空孔などがあり青色を吸収して5
20〜650nmの蛍光を発する。基板中での蛍光発光
Fが底面に反射し或いは直接に薄膜17を越えて外部に
出て行く。LED光Eと、蛍光光Fの混合した光が外部
に出て行きこれが白色光Wに見える(W=E+F)。こ
れはリード面14に基板16をボンドする正立構造であ
る。通常のLEDは皆そうである。しかしこれではLE
D光Eが必ず50%を越える割合になり蛍光発光が弱く
なる。
【0028】(2)倒立のGaN白色LED 図4に本発明にかかる倒立の白色LEDの構造の一例を
示す。図4(a)は縦断面図、図4(b)はチップだけ
の断面図を示す。透明モールド21の内部に、リード2
2、23とLEDチップ25が埋め込まれている。その
ような構造は従来のLEDに合わせてある。Γ型リード
22の頂部24には窪みがない。平坦面である。リード
頂部24の上にGaInNLED25が固定される。L
ED25は蛍光発光中心となる不純物、欠陥を有するG
aN基板26とその上にエピタキシャル成長した発光構
造(GaInN系薄膜)27よりなる。エピタキシャル
発光構造(薄膜)27はGaInNの薄膜でありpn接
合を含む。このLEDは反対向けにしてリード面24に
固定する。n型GaN基板を使う場合、薄膜面にはp電
極があり、これが直接にリード面24(ステム)に接合
される。ステムに付ける電極は、チップ面積の80%〜
100%であって良い。GaN基板側にはリング状ある
いは小面積のn電極がある。これはチップ面積の40%
以下の面積とする。n電極がワイヤ28によってリード
23に接続される。やはりワイヤは1本で済む。この場
合リード23がカソード、リード22がアノードにな
る。もちろんp型基板を使う場合は、カソードとアノー
ドが逆になる。
【0029】リード22から23に電流を流すことによ
ってバンドギャップ遷移がおこりエピタキシャル薄膜2
7が400nm〜500nmの光Eを出す。全部が上方
に進み基板に入る。透過光は外部に青色の光として出て
行く。一部の光は吸収されてGaN基板中の蛍光中心に
よる蛍光発光を促す。基板中での蛍光発光Fも上方に向
かう。LED発光Eも蛍光発光Fも共に上方へ向かう。
二つの異種の光が混合して白色になる。この構造である
と基板の厚みに比例して蛍光が増加する。蛍光を50%
以上にすることも容易である。白色光の色調を制御しや
すい。ただし通常のLEDとアノード、カソードピンが
反対になるので注意が必要である。
【0030】(3)倒立遮蔽型のGaN白色LED 図4のものは薄膜27から基板面にほぼ平行に出た青色
光、青緑色光は、基板を通らないから蛍光光と混合でき
ず、青色だけになってしまう。側方からみると色ムラを
生ずる。これを避けるためにはリード形状を工夫すれば
良い。図5に本発明にかかる倒立遮蔽型白色LEDの構
造の一例を示す。図5(a)は縦断面図、図5(b)は
チップだけの断面図を示す。透明モールド31の内部
に、リード32、33とLEDチップ35が埋め込まれ
ている。そのような構造は従来のLEDに合わせてあ
る。Γ型リード32の頂部34には深い窪み39が形成
されている。リード頂部34の深い窪み39の底にGa
InNLED35が発光構造を下にして倒立固定され
る。LED35からみた上方開口部の面積は狭く光が側
方には出ないようになっている。
【0031】LED35は蛍光発光中心となるドーパン
トを有するGaN基板36とその上にエピタキシャル成
長した発光構造(GaInN系薄膜)37よりなる。エ
ピタキシャル発光構造(薄膜)37はGaInNの薄膜
でありpn接合を含む。このLEDは反対向けにして窪
み39の底34に固定する。薄膜37の上面には、全面
の80%〜100%の面積の電極があり、これが直接に
リード32の窪み底面に接合される。n型基板を使う場
合薄膜電極はp電極である。GaN基板側にはリング状
あるいは小面積の電極がある。全面積の40%以下とす
る。n型基板の場合これはn電極である。n電極がワイ
ヤ38によってリード33に接続される。やはりワイヤ
は1本で済む。この場合もリード33がカソード、リー
ド32がアノードになる。窪み39の上面にはリング状
の反射板40が接合される。p型基板の場合、基板側の
電極はp電極、発光機構(薄膜)側の電極はn電極にな
る。
【0032】電流を流すことによってエピタキシャル薄
膜37が400nm〜500nmの光Eを出す。全部が
上方に進み基板に入る。透過光は外部に青色の光として
出て行く。一部の光は吸収されてGaN基板の蛍光中心
による蛍光発光を引き起こす。基板中での蛍光発光F
(520nm〜650nm)も上方に向かう。LED発
光Eも蛍光発光Fも共に上方へ向かう。両者合い相まっ
て白色を呈する。面に対して斜めに出た光は全て窪み壁
面に遮られる。面に垂直に出た光のみが上方に向かい窪
みから外部にでて行く事ができる。これは指向性のある
LEDになる。
【0033】(4)倒立基板遮蔽型のGaN白色LED 図5のものは側方へ出射される光がないので、必ず白色
光になる。それはいいのであるが、指向性が強すぎると
いう欠点がある。指向性の少ないLEDが要求されるこ
ともあろう。それに図5のものはリードの形状が複雑で
LEDチップに実装が難しいという難点もある。指向性
が少なくしかも青色、青緑色の漏れがないようなLED
を図6によって説明する。これはGaN基板自体に凹形
状を与えて発光構造部を基板に埋め込んだものである。
【0034】図6(a)は縦断面図、図6(b)はチッ
プだけの断面図を示す。透明モールド41の内部に、リ
ード42、43とLEDチップ45が埋め込まれてい
る。Γ型リード42の頂部44には特異な形状のLED
チップ45が反対向きに接着される。LED45の中央
は深い窪み49になっており、ここにGaInN系エピ
タキシャル発光構造47が形成される。つまりエピタキ
シャル薄膜47がGaN基板46によって囲まれる形状
になっている。エピタキシャル薄膜47から出る光は全
て基板46を通過する。
【0035】基板の周辺部には絶縁層50とGaN層5
1がある。GaN層51によってLED45がリード面
44に接着される。しかし絶縁層50のために、リード
面44から素子へは電流は流れない。リード面44の中
央部には隆起52がある。隆起52がエピタキシャル発
光層のp電極に接触固定される。p電極とリード42は
これによって電気的に接続される。GaN基板46の底
面側が上になっている。底面にはリング状或いは小面積
の電極がある。n型基板ならばn電極である。n電極は
ワイヤ48によってリード43に接続される。リード4
2がアノード、リード43がカソードとなる。
【0036】電流を流すことによってエピタキシャル薄
膜47が400nm〜500nmの光Eを出す。上方に
進むものも側方に進む光も全て周辺の基板46に入る。
透過光は外部に青色の光として出て行く。一部の光は基
板46に吸収されてGaN基板の不純物、欠陥など蛍光
中心による蛍光発光を引き起こす。LED発光Eも蛍光
Fも共に上方及び側方へ向かう。両者相まって白色を呈
する。基板面に対して垂直方向だけでなく斜めや側方に
出た光もすべて白色光となる。指向性がないLEDにな
る。用途は一段と広い。
【0037】
【実施例】[実施例1(気相成長GaN基板、GaIn
N活性層、正立)]GaN単結晶は先述のように気相成
長(HVPE、MOC、MOCVD法)あるいは融液成
長法によって成長させる。そのGaNの自立膜を基板と
する。GaN基板は、酸素、炭素のようなドーパント或
いは窒素空孔のような欠陥をあたえておく。酸素、炭
素、窒素空孔は蛍光中心となる。GaN基板の厚みは5
0μm〜2000μm程度がよい。GaN基板の上にG
aInNの結晶薄膜をエピタキシャル成長させる。例え
ばMOCVD法によってエピタキシャル成長することが
できる。
【0038】図7にGaNエピタキシャルウエハ−60
の構造を示す。n型GaN基板62の上にn型GaNバ
ッファ層63、n型AlGaNクラッド層64、GaI
nN活性層65、p型AlGaNクラッド層66、p型
GaNコンタクト層67が設けられる。エピタキシャル
層ではp型ドーパントとしてMgをn型ドーパントとし
てSiを採用した。より具体的な組成を示す。
【0039】(1)n型GaN基板 62 (2)n型GaNバッファ層 63 (3)n型Al0.20Ga0.80Nクラッド層 64 (4)ZnドープGa0.88In0.12N活性層65 (5)p型Al0.20Ga0.80Nクラッド層66 (6)p型GaNコンタクト層67
【0040】コンタクト層はp電極とオーミック接触し
抵抗が小さいことが必要でp型濃度が高い。AlGaN
クラッド層はバンドギャップが広くて活性層にキャリヤ
を閉じ込める作用がある。GaInN活性層は、薄いI
nN膜、GaN膜を何層にも交互に積層したものであ
る。
【0041】このエピタキシャルウエハ−のp型コンタ
クト層の上にPd/Auからなるp電極を形成した。裏
面のn型GaNには、Inのn電極を形成した。n電極
にはIn/TiAuを用いることもできる。パターン電
極の形成にはフォトリソグラフィを用いる。電極形成後
のエピタキシャルウエハ−を300μm×300μm角
のサイズに切り出し、図3のようにリード12のステム
14に固定した。n電極を下に、p電極を上にした。つ
まりGaN基板16がステム14に接触する。p電極を
ワイヤによって他のリード13に取り付けた。これらを
透明樹脂によってモールドした。
【0042】このLEDを定電流モードで測定した。高
輝度の白色光が放射された。20mAの駆動電流に対し
て典型的な輝度は1.5Cdであった。図8にこのLE
Dの発光スペクトルを示す。設計通り430nmに鋭い
ピークをもつエピタキシャル発光層からのLED発光
と、550nmに鈍いピークをもつブロードなGaN基
板からの蛍光発光が組合わさっている。合成された光は
白色である。黄色が少し強めの暖色の白であった。
【0043】[実施例2.融液成長法のGaN基板、倒
立、基板厚み3種]融液成長法を用いて作製した厚みの
異なる3種類のGaN基板を準備した。厚みは100μ
m、500μm、1mmである。このGaN基板の上に
実施例1と同様のホモエピタキシャル構造をMOCVD
法によって作製した。図7の構造を持ち、p型ドーパン
トはMg、n型ドーパントはSiである。
【0044】(1)n型GaN基板 62 (2)n型GaNバッファ層 63 (3)n型Al0.20Ga0.80Nクラッド層 64 (4)ZnドープGa0.88In0.12N活性層65 (5)p型Al0.20Ga0.80Nクラッド層66 (6)p型GaNコンタクト層67
【0045】p型GaNコンタクト層の上にp電極Pd
/Auを設けた。p電極はエピタキシャル面の全体に形
成している。n型GaN基板の底面に、100μm×1
00μmのInのn電極を設けた。p電極のチップ被覆
率は100%、n電極のチップ被覆率は11%である。
これを300μm×300μmの正方形チップに切り出
して図4のように裏面を上に向けてステムに取り付け
た。エピタキシャル表面を下にするからエピサイドダウ
ンともいう。p電極はステムに直付けされる。n電極だ
けをワイヤによってステムに接続する。これを透明樹脂
でモールドした。
【0046】このLEDを定電流モードで発光させたと
ころ、高輝度の白色光を得る事ができた。実施例1のL
EDは、白色の色調ムラが見られたが、この受光素子は
素子面垂直方向にはそのようなムラがない。エピサイド
ダウンであって、垂直方向に出る光は、蛍光とLED発
光が混合しているからである。典型的な輝度は、電流2
0mAで、1.5〜2Cdであった。基板厚み(100
μm、500μm、1mm)によって白の感じが違う。 (C)100μm厚みのLED…青みがかった寒色の色
調の白 (D)500μm厚みのLED…中性の白 (E)1000μm厚みのLED…かなり黄色の強い暖
調の白 であった。それぞれの白色発光の色度C、D、Eを色度
座標で示すと図9のようになる。
【0047】色度図は、一般の可視の光源色もしくは物
体色について、三原色である赤、緑、青に対する刺激値
(人間の3種類の視感覚器が感じる刺激量)を数値化す
ることにより、平面座標上で表示するために工夫された
図である。ある光源の発光スペクトルのうち、赤に対応
する刺激量をx、緑に対応する刺激量をy、青に対応す
る刺激量をzとしたとき、これらを総刺激量で規格化し
た、X=x/(x+y+z)、Y=y/(x+y+z)に
より張られる平面座標が図9に示した色度図である。こ
の座標系ではいかなるスペクトルを有する色も座標上の
1点としてあらわされる。このうち400nmから67
5nmまでの範囲の単色光は、図中のΛ型の曲線を描
く。その他の色は、いずれもこれらの単色光の複合光で
あり、図中のΛ型曲線で囲まれる内部の点で表現でき
る。白色光は中心近くの破線で囲んだ部分である。二つ
の色P、Qをこの二次元座標に取ったとする。これらの
任意の比率の混合色は、二点PQを結ぶ線分の上の点と
して表される。
【0048】図9においてA点は460nmにピークを
持つLED発光構造のみからの発光を示す。色純度が良
いので色度図曲線のコーナーに位置する。B点は580
nmを中心とする蛍光発光の色度をしめす。ブロードな
ピークであって様々の光を含むのでΛ曲線の内部にあ
る。点Aの光と点Bの光を合成した光は直線ABの上に
ある。GaN基板が薄い場合蛍光が弱くなりA側によ
る。基板が厚い場合蛍光が強くなってB側による。
【0049】C点…GaN基板厚みが100μmであ
る。A点に最も近い。 D点…GaN基板厚みが500μmである。中間であ
る。 E点…GaN基板厚みが1000μm(1mm)であ
る。B点に最も近い。 これらの白色を色調温度で表現することもできる。 C点…少し青色が強い寒色の白で色調温度は8000K
程度。 D点…中性の白で色調温度は5000K程度。 E点…黄色の強い暖色の白で色調温度は3000K程
度。 このように基板の厚みを変える事によって色調の異なる
白を得る事ができる。これは基板の不純物濃度は一定の
場合である。
【0050】基板の不純物濃度を変えると基板の吸収係
数が変化し、基板厚みとLEDの色調の関係は上記の関
係から変化して行くということも判明した。活性層のG
1−xInNの組成xを変えることによって発光波
長を40nm〜500nmの間で変化させる事ができ
る。LED発光波長をこの範囲で変化させても、基板厚
みを最適化することによって白色光が得られるというこ
とも分かった。
【0051】[実施例3.倒立、反射板]実施例2は倒
立にLEDをステムに取り付けている。それで上方から
見る限り一様なムラのない白色である。しかしチップ側
方からみると青色だけが放射される角度がある。そこで
ステムに窪みを設け窪みにチップを実装した。図5に示
すものである。窪み39の底面側面を鏡面仕上げした。
窪み39にチップを反転して取り付けた。こうすると側
方に出た光はすべて窪み39の壁面で遮られ外部にでな
い。反射板40によってさらに開口部が狭くなってい
る。上方にのみ光がでるようになる。
【0052】エピタキシャル薄膜から出た光が上方に出
るには必ずGaN基板36を通らなければならない。必
ず青色光は黄色蛍光光と混合する。こうして一様な白色
光を放射するLEDを得る事ができた。ステムの実装面
34を鏡面仕上げとし、反射板としてアルミ薄片を用い
る。青色光が反射してGaN基板に入るので反射によっ
て黄色橙色強度が強くなる。反射板と凹部構造のため指
向性が高くなった。反射のため輝度は1.8〜2.5C
dにまで増強された。
【0053】[実施例4.倒立、選択成長]実施例3は
ステムに凹部を形成し凹部へ倒立にLEDを取り付けて
いる。光は上方へのみ出てくる。指向性が強く輝度も高
い。しかしながらそのような深い凹部をステムに形成す
るのは難しい。ステムコストを押し上げる。むしろチッ
プの方に異方性を設けた方がよい場合もある。チップは
ウエハ−プロセスによって簡単に形状異方性を与えるこ
とができるからである。
【0054】それで図6のような形状のチップ・ステム
を作製した。作製の方法を図10(a)〜(d)によっ
て説明する。GaNウエハ−78に格子状のSiNマス
クパターン80を形成した。図10(a)はマスク80
を載せた状態のウエハ−の一部の断面図を示す。図10
(d)は同じものの平面図を示す。正方形の白地の部分
がGaNの露呈した部分79である。正方形の部分が後
に発光部分になる。マスク以外の部分(開口部)を約3
μmの深さにエッチングした。図10(b)のように凹
部83が形成される。マスク80の直下の部分がアンダ
ーカットされ逆メサ81の形に残る。露出した部分は平
面82になる。
【0055】このように凹部83をもつウエハ−に、実
施例1〜3と同様にMOCVD法によって発光構造を成
長させた。選択成長が起こり凹部82にのみに発光構造
が形成され、マスク80の上には単結晶エピタキシャル
膜が形成されない。またマスク直下のアンダーカット形
状のため発光構造は完全に分離される。つまりマスクの
上下でGaN膜がつながらない。図10(c)にこの状
態を示す。凹部83内部のエピタキシャル発光構造84
に電極などを設け、マスク部分を切断線とし、300μ
m×300μmのチップに切断した。中央に凹部をもつ
LEDチップが製作される。リード42のステム44自
体も凸部52をもつ異形のものになる。
【0056】チップを反転させ、p型層の方をステム隆
起52に接触するように固定した。図6(a)、(b)
のようになる。n電極はワイヤ48で他のリード43に
接続した。これはエピタキシャル発光構造47がGaN
基板中に埋め込まれているから、青色、青緑色の漏れ光
は皆無となる。全視野角度に対して均一に白い光を発す
るLEDとなる。これはチップの形状を工夫することに
よって均一光を出すようにしたものである。チップにエ
ピタキシャル層を埋め込んだこの実施例は指向性が少な
く、全視野型である。広い角度に発光するので表示など
に適する。
【0057】[実施例5(倒立、反射板形状のステ
ム)]図11はステムに反射機能を持たせた実施例をし
めす。実施例2、3と同様にステムへ倒立に付ける。実
施例2はステムは平坦で、実施例3は深い凹部を持って
いた。図11に表したものは中間的なものであり実施例
3ほど深くない凹部をステムに設けている。図11
(a)はチップの平面図である。(b)は正面図、
(c)は底面図である。(d)は素子の正面図である。
このLEDはリング電極ではなく円板状の小さいn電極
87をn型GaN基板62の裏面に設けている。p型コ
ンタクト層67の下には全面にp電極88を付けてい
る。リード89の頂部は拡開する額縁状になっておりこ
こに、チップのエピタキシャル成長層側(p電極側)を
固定する。n電極87は、もう一つのリード90とワイ
ヤ92によって接続する。ステム、チップ、ワイヤなど
の全体は透明樹脂93によってモールドされる。
【0058】
【発明の効果】本発明は、蛍光中心を有するGaN基板
の上にGaInN系薄膜をエピタキシャル成長させる。
GaInN薄膜はLEDとして青色発光させ、青色が基
板を通過するときに黄色や黄緑色の蛍光発光させ、両者
相まって白色を出すようにしている。単色のLEDと作
るのとほぼ変わらない工程で製造できる。基板がサファ
イヤでないから劈開がありチップに切り出すのが容易で
ある。基板がサファイヤの場合はワイヤボンデイングが
2回必要であるが、本発明は導電性のGaN基板を使う
のでワイヤボンデイングは1回でよい。LEDの作製容
易である。導電性単結晶GaN基板は従来のYAG蛍光
材よりも透明度が高く吸収が少ない。さらに青色青緑色
光を黄色光に変換する変化効率も高い(15%以上)。
透明度、変換効率共に高いから、GaInN/GaNL
EDは、従来のGaInN/YAGLEDよりも高輝度
の白色LEDとなる。
【0059】GaInNLEDが主体であるから長寿命
である。GaN基板のドーパント種類、濃度、結晶欠陥
量などによって暖色系から寒色系まで様々の白色を発生
させることができる。さらに基板厚みを変えるだけでも
暖色系から寒色系まで色調を変えることができる。別異
の蛍光体を余分に必要としない。GaN基板自体を蛍光
発光体として有効利用している。半導体素子は基板が必
要であるが、これを黄色の発光体として使っているので
構造は簡単で製造も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】GaN系LEDとYAG蛍光体を組み合わせた
従来例にかかる白色LEDの例を示す図。(a)はパッ
ケージを含む全体縦断面図。(b)はLEDチップ近傍
の拡大断面図。
【図2】GaN系LEDとYAG蛍光体よりなるGaI
nN/YAG白色LEDの発光スペクトル図。横軸は波
長、縦軸は光強度(任意目盛り)。
【図3】GaN基板とGaInN系薄膜発光構造を組み
合わせたLEDをステムに正立固定する本発明の実施例
1にかかる白色LEDの例を示す図。(a)はパッケー
ジを含む全体縦断面図。(b)はLEDチップ近傍の拡
大断面図。
【図4】GaN基板とGaInN系薄膜発光構造を組み
合わせたLEDをステムに倒立固定する本発明の実施例
2にかかる白色LEDの例を示す図。(a)はパッケー
ジを含む全体縦断面図。(b)はLEDチップ近傍の拡
大断面図。
【図5】凹部を有するステムの谷間にLEDを倒立固定
した本発明の実施例3にかかる白色LEDの例を示す
図。(a)はパッケージを含む全体縦断面図。(b)は
LEDチップ近傍の拡大断面
【図6】GaN基板にGaN系薄膜発光構造を埋め込ん
だ構造のLEDを、凸部を有するステムに倒立固定する
本発明の実施例4にかかる白色LEDの例を示す図。
(a)はパッケージを含む全体縦断面図。(b)はLE
Dチップ近傍の拡大断面図。
【図7】GaInNを活性層として持つ実施例1のLE
Dのエピタキシャルウエハ−の層構造を示す図。
【図8】GaInNを活性層として持つ本発明で用いる
LEDの発光スペクトル図。
【図9】横軸をX、縦軸をYとする色度を示す色度座標
系において、実施例2の3種類の厚みの異なるLEDの
発光点をC、D、Eとして示す図。AはGaInNLE
Dの発光、Bは蛍光を示す。Xは三原色のうち、赤の成
分の比を、Yは三原色の内、緑成分の比をしめす。
【図10】チップ中央部に凹部を持ち、凹部にエピタキ
シャル発光構造を作り、発光構造が基板によって包囲さ
れるような実施例4のLEDチップを作製するためのウ
エハ−プロセスを説明するための図。
【図11】倒立実装の実施例5におけるLEDチップと
LED素子を示す図。(a)はチップ平面図、(b)は
正面図、(c)は底面図、(d)はリードにチップを取
付け、透明樹脂によってモールドした発光素子の図。
【符号の説明】
1透明モールド 2第1リード 3第2リード 4窪み 5GaNInLED 6YAG蛍光体 7ワイヤ 8ワイヤ 11透明モールド 12リード 13リード 14頂面 15GaInNLED 16GaN基板 17エピタキシャル発光構造(薄膜) 18ワイヤ 21透明モールド 22リード 23リード 24リード頂面 25GaInNLED 26GaN基板 27エピタキシャル発光構造(薄膜) 28ワイヤ 31透明モールド 32リード 33リード 34リード頂面 35GaInNLED 36GaN基板 37エピタキシャル発光構造(薄膜) 38ワイヤ 39窪み 40反射板 41透明モールド 42リード 43リード 44リード頂面 45GaInNLED 46GaN基板 47エピタキシャル発光構造(薄膜) 48ワイヤ 49窪み 50絶縁層 51GaN層 52リードの隆起 60GaInNLEDチップ 62n型GaN基板 63n型GaNバッファ層 64n型AlGaNクラッド層 65GaInN活性層 66p型AlGaNクラッド層 67p型GaNコンタクト層 78GaN基板 79基板表面 80マスク 81凸部 82底面 83窪み 84エピタキシャル発光構造 85非エピタキシャル層 87n電極 88p電極 89リード 90リード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−190053(JP,A) 特開 平10−135516(JP,A) 特開 平10−12555(JP,A) 特開 平5−21847(JP,A) 特開 平10−150220(JP,A) 特開 平7−30153(JP,A) 特開 平4−213878(JP,A) 特開2000−12900(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 蛍光中心として酸素原子、炭素原子また
    は窒素空孔を含むn型又はp型GaN単結晶基板と、G
    aN単結晶基板の上にpn接合を含むようにエピタキシ
    ャル成長によって設けられたGaInNを主体とする混
    晶化合物の青色青緑色の発光構造と、GaN基板の底面
    に設けたn電極又はp電極と、発光構造の上層に設けた
    p電極またはn電極と、GaN基板或いは発光構造を支
    持する支持機構と、電流を電極に流すためにリードと、
    GaN基板、発光構造、支持機構を囲むパッケージとよ
    りなり、該発光構造からの青色又は青緑色の光によって
    GaN基板の蛍光中心を励起して黄色又は橙色を発光さ
    せ、発光構造からの青色青緑色とGaN基板蛍光中心か
    らの黄色橙色の両方の光を合成することによって白色光
    を得るようにしたことを特徴とする白色LED。
  2. 【請求項2】 発光構造が、Ga1−xInNを含む
    多層構造からなり、発光構造から放出される光の波長が
    450nm〜510nmの範囲にあり、かつGaN基板
    からの蛍光発光の波長が520nm〜650nmである
    ことを特徴とする請求項1に記載の白色LED。
  3. 【請求項3】 GaN基板の厚みを、50μm〜2mm
    の範囲で調整する事により、また発光構造からの発光波
    長を変化させる事により、得られる白色光の色調を寒色
    系から暖色系まで変化させることができるようにしたこ
    とを特徴とする請求項2に記載の白色LED。
  4. 【請求項4】 支持機構が頂部にステムをもつΓ型のリ
    ードであって、基板側がステムと反対側にあり発光構造
    をもつ面がステム面に固着されていることを特徴とする
    請求項3に記載の白色LED。
  5. 【請求項5】 支持機構が頂部に凹部を含むステムを持
    つΓ型のリードであって、基板側がステムと反対側にあ
    り発光構造をもつ面がステムの凹部に固着されて、凹部
    の上端には反射板があり発光構造からの青色光青緑光の
    一部を反射しGaN基板に照射するようにしたことを特
    徴とする請求項3に記載の白色LED。
  6. 【請求項6】 GaN基板に凹部があって凹部の底にG
    1−xInN発光構造が形成され、発光構造がGa
    N基板によって包囲されるようにし、基板側がステムと
    反対側にあり発光構造の面がステムに接触するよう固着
    されているようにしたことを特徴とする請求項3に記載
    の白色LED。
  7. 【請求項7】 発光構造側の電極は、基板の全面積の8
    0%〜100%の面積を被覆し、GaN基板側の電極
    は、基板面積の40%以下の面積を被覆していることを
    特徴とする請求項4、5または6に記載の白色LED。
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